Nuevas configuraciones de reactor para valorización energética conjunta de biogás e hidrógeno renovable
- Autores: Luis Andrés Sanz Martínez
- Directores de la Tesis: Jose Angel Peña Llorente (dir. tes.), Javier Herguido Huerta (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Materias:
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- Resumen
La investigación presentada en esta tesis doctoral se ubica en la iniciativa ‘Power to Gas’ (PtG o P2G) y contribuye al ‘estudio de nuevas fuentes de energía asequibles, seguras, sostenibles y modernas’ (Objetivo de Desarrollo Sostenible ODS nº 7). Pretende facilitar el almacenamiento indirecto de energía (p. ej. electricidad excedentaria), en forma de gas combustible de origen renovable y su distribución a través de la red gasista ya existente. Para ello, se ha analizado el desempeño del proceso para producir metano (principal constituyente del gas natural sintético, SNG) a partir de CO2, particularmente el contenido en un biogás desulfurado. La reacción llevada a cabo ha sido la reacción de metanación de CO2 o reacción de Sabatier, utilizando distintas configuraciones de reactores catalíticos.
El procedimiento para ejecutar este análisis, ha consistido en el estudio en laboratorio de varias especies catalíticas activas en reacciones de hidrogenación (níquel, rutenio o mezclas níquel – hierro), sobre soportes adecuados (alúmina). Los catalizadores se han preparado en laboratorio, mediante el método de impregnación a humedad incipiente. Las materias primas, ricas en dióxido de carbono (CO2) e hidrógeno (H2) renovable, se han simulado mediante mezclas sintéticas. Así, para cada sistema reaccionante, constituido por una alimentación (bien mezclas H2 + CO2 puras en distintas proporciones, o bien H2 + biogás sintético –en una proporción CH4:CO2= 7:3 v.- como fuente de CO2) y un reactor, se ha determinado el rendimiento en función de las condiciones de operación (temperatura, presión parcial, proporción de reactivos y tiempo de residencia).
Las dos primeras configuraciones de reactor propuestas han sido las de lecho fijo (FBR) y lecho fluidizado (FLBR). Éstas, constituyen los dos tipos más habituales de reactor y mediante su operación se ha determinado el catalizador con mejores características (actividad catalítica, estabilidad –desactivación-, fluidodinámica y precio) para llevar a cabo la reacción. La configuración FBR ofrece los mayores rendimientos a CH4. De igual forma sucede con la formación de puntos calientes o ‘hot-spots’. La operación en FLBR resulta viable, con una alta estabilidad de los sólidos (tanto mecánica, como catalítica) y tasas de producción de CH4 que se encuentran por debajo de las logradas en FBR (diferente modelo de contacto reactivo – catalizador). Respecto a la comparativa de catalizadores, señalar que, en términos de actividad específica, el rutenio supera claramente al níquel. Por su parte, el catalizador níquel – hierro llega a duplicar el rendimiento a CH4 en el rango de media – baja temperatura (250 – 350 ºC) con la configuración FLBR.
Paralelamente, y para el catalizador de níquel, se ha estudiado el desempeño de una configuración de reactor más avanzada, como es la del reactor politrópico (3 alimentaciones laterales) (PTR). Su uso, resulta en una mejora notable de los perfiles de temperatura en el lecho (disminución de sobrecalentamiento de hasta 25 ºC con respecto a la operación análoga en FBR). Respecto a qué reactivo distribuir, se propone que sea aquel que queda en exceso con respecto a la relación estequiométrica de la reacción de Sabatier (H2:CO2= 4:1).
A partir de los resultados experimentales obtenidos en FBR y con el catalizador en base Ni, se ha procedido a su modelado cinético. El modelo más ajustado muestra un mecanismo de reacción en serie, con el monóxido de carbono (CO) como producto intermedio en la formación final de CH4. Finalmente, se da paso a la simulación (Aspen HYSYS), y posterior análisis técnico y económico (CAPEX y OPEX), de una planta de demostración real para la producción de gas natural sintético (SNG) a partir del biogás proveniente del vertedero de RSU de un núcleo de población de 150.000 habitantes.
